本發(fā)明涉及一種熱波鎖相成像系統(tǒng)與方法，特別是利用激光掃描熱激勵(lì)技術(shù)，屬紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

熱波成像技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)手段，其基本原理是采用熱激勵(lì)源對(duì)試件表面進(jìn)行加熱來(lái)產(chǎn)生溫度差，該溫度差形成向試件內(nèi)部傳播的熱波，當(dāng)熱波在試件內(nèi)部遇到缺陷或熱阻抗有變化的地方時(shí)，部分熱能就會(huì)發(fā)生反射而回到試件的表面，使得試件表面的溫度發(fā)生動(dòng)態(tài)分布。采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度隨時(shí)間變化的信息，再通過(guò)圖像處理手段對(duì)熱波信號(hào)進(jìn)行校正、處理和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷的檢測(cè)。相比傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)手段，熱波成像技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離、大面積快速成像等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別適合檢測(cè)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，包括表面粗糙的非透明涂層。其應(yīng)用廣泛，如太陽(yáng)能電池的粘合、風(fēng)電葉片的脫粘，集成電路封裝，航天器外殼的內(nèi)部腐蝕、水下艦只的殼體、汽車外殼及漆層質(zhì)量等等的評(píng)估與檢測(cè)。

熱波成像無(wú)損檢測(cè)分為多種技術(shù)手段，比較普遍采用的是脈沖熱激勵(lì)方式，基本原理是采用脈沖熱激勵(lì)源在試件表面產(chǎn)生一個(gè)短周期的熱脈沖，利用其在試件內(nèi)部傳播途中與材料內(nèi)部缺陷及非均勻性結(jié)構(gòu)之間的相互作用來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。這個(gè)方法的測(cè)試時(shí)間快，對(duì)不同深度的缺陷可同時(shí)有效的探測(cè)，但對(duì)熱激勵(lì)源的要求比較高，必須能在短時(shí)間內(nèi)輻射出很高的輻射能量。另一個(gè)主要手段是熱波鎖相成像檢測(cè)技術(shù)，其采用周期性熱激勵(lì)源對(duì)試件表面進(jìn)行加熱，利用信號(hào)的周期相關(guān)性對(duì)采集到的試件表面溫度變化進(jìn)行處理，可分離出熱波信號(hào)的振幅與相位，從而得到試件內(nèi)部缺陷與結(jié)構(gòu)的信息。相對(duì)于脈沖熱激勵(lì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)熱激勵(lì)源的性能要求降低很多，單位面積的熱激勵(lì)功率大幅度減低。當(dāng)然缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，而且不同深度的缺陷需要采用不同的調(diào)制頻率，以免漏檢。因此比更適合面積比較大的試件，而且缺陷的深度相對(duì)比較確定的情況。

目前主流的熱波鎖相成像系統(tǒng)大都是采用高功率紅外加熱燈，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，使用也比較方便。但缺點(diǎn)也十分明顯，如光輻射嚴(yán)重發(fā)散，以至于不適合遠(yuǎn)距離作用，并且由此導(dǎo)致在試件表面的電熱轉(zhuǎn)換效率不高，而且熱激勵(lì)的面積大小不易控制，完全靠燈的位置來(lái)調(diào)整，且光輻射的均勻性不好。加之燈管的熱響應(yīng)比較慢，燈管本身高溫所輻射的紅外線通過(guò)試件表面的反射會(huì)干擾熱波圖像的采集，等等。因此需要有一種更加有效的熱激勵(lì)方式來(lái)進(jìn)一步提高目前的熱波鎖相成像技術(shù)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有熱波鎖相成像技術(shù)的不足，提出一種改進(jìn)的熱激勵(lì)與檢測(cè)裝置及方法。本發(fā)明采用掃描激光束作為熱激勵(lì)源，激光掃描熱激勵(lì)具有多重優(yōu)勢(shì)，它可以遠(yuǎn)距離投射、輻射區(qū)域大小可任意改變、輻照均勻、響應(yīng)速度快、可靈活控制、自身不發(fā)熱，等等，因此特別適合應(yīng)用于熱波成像技術(shù)。

本發(fā)明的具體方法為：采用激光束對(duì)試件表面進(jìn)行掃描熱激勵(lì)，使得掃描的頻率與圖像采集的幀頻保持特定的同步關(guān)系，這樣可以消除由于激光光斑在掃描過(guò)程中對(duì)熱波圖像產(chǎn)生的干擾。紅外熱像儀的工作方式可分為凝視型與掃描型，凝視型是指整幅圖像在同一時(shí)刻采集，然后順序讀出，而掃描型紅外熱像儀則是采取逐行積分與讀出的方式。因此根據(jù)紅外熱像儀工作方式的不同將采用不同的同步方法。下面的實(shí)施示例將給予進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。

附圖說(shuō)明

圖1為熱波鎖相成像技術(shù)的原理示意圖；

圖2為激光掃描鎖相成像系統(tǒng)原理圖；

圖3為激光掃描鎖相成像系統(tǒng)的熱激勵(lì)與圖像采集示意圖；

圖4為本發(fā)明方法的一種實(shí)施方式；

圖5為本發(fā)明方法的另一種實(shí)施方式；

圖6為本發(fā)明方法的又一種實(shí)施方式；

圖7為本發(fā)明方法的還一種實(shí)施方式；

圖8幾種本發(fā)明可采用的熱激勵(lì)波形。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的原理及特點(diǎn)得到更好的理解，以下將結(jié)合具體實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1(a)所示的是現(xiàn)有熱波鎖相成像技術(shù)的系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)包括熱激勵(lì)源10，紅外熱像儀11，熱激勵(lì)驅(qū)動(dòng)單元12及數(shù)據(jù)處理單元14。在熱激勵(lì)驅(qū)動(dòng)單元12的控制下，熱激勵(lì)源10的光輻射對(duì)試件表面進(jìn)行周期性加熱，產(chǎn)生的熱波15向試件內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷17或結(jié)構(gòu)性變化時(shí)，會(huì)有一部分反射熱波16被反射到試件表面，熱波反射回來(lái)的時(shí)間、強(qiáng)度等和缺陷深度及材料的物理特性相關(guān)。一種周期性熱激勵(lì)波形如圖1（b）中的“熱激勵(lì)調(diào)制”曲線所示，這是一方波，但也可以采用其它波形，如正弦波等。試件表面在吸收熱激勵(lì)能量后的溫度變化如圖1（b）的“試件表面溫度”曲線所示，其上升與下降沿都有平滑現(xiàn)象，這是材料的熱學(xué)弛豫現(xiàn)象所致。當(dāng)試件內(nèi)部有缺陷時(shí)，由于部分“反射熱波信號(hào)”的影響，這個(gè)溫度曲線將受到一定的改變，但通常這種改變十分微弱，在圖像噪聲的影響下，直接從熱波圖像上往往比較難于看清楚。由于周期性的熱激勵(lì)產(chǎn)生的熱波信號(hào)也是周期性的，而噪聲則是無(wú)規(guī)的，因此可以通過(guò)這種周期相關(guān)性對(duì)噪聲進(jìn)行抑制，從而使得圖像的信噪比得到很大提高，缺陷變得清晰起來(lái)，這就是鎖相技術(shù)的基本原理。

周期信號(hào)的相關(guān)處理，也就是鎖相信號(hào)處理的方式有幾種，最簡(jiǎn)單的可以將其稱為單相積分法，就是將檢測(cè)到的熱波信號(hào)按熱激勵(lì)的正、負(fù)兩個(gè)半周期分別進(jìn)行積分，具體的就是將這個(gè)周期內(nèi)采集的“序列熱波圖像”進(jìn)行平均，如圖1（b）的“單相積分法”曲線所示，然后將這兩個(gè)半周的積分信號(hào)相減，這樣背景信號(hào)得到消除，噪聲得到一定的抑制，而熱波信號(hào)不受損失。這個(gè)方法處理速度很快，特別適合于比較短周期的熱激勵(lì)，可以在較短時(shí)間處理很多周期。由于被缺陷反射的熱波信號(hào)傳到表面需要一定時(shí)間，因此熱波信號(hào)積分的周期相對(duì)于熱激勵(lì)的周期需要要一定的延遲或稱為相移，否則信號(hào)會(huì)受到損失。這種方法的缺點(diǎn)是不能得到熱波信號(hào)的振幅與相位。因此另一種方法可稱為雙相積分法，它是通過(guò)在單相積分的基礎(chǔ)上增加第二路單相積分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這兩路單相積分之間相差90度的相位，如果將熱波信號(hào)作為一個(gè)矢量，在二維坐標(biāo)上這兩路單相積分信號(hào)就相當(dāng)于熱波信號(hào)在x、y兩個(gè)正交坐標(biāo)的投影。因此可以通過(guò)三角公式計(jì)算出熱波信號(hào)的幅度與相位。這種方法由于計(jì)算量相對(duì)不是很大，處理速度也是比較快的，因而得到普遍的應(yīng)用。另外一種周期信號(hào)的相關(guān)處理方式就是直接對(duì)“序列熱波圖像”進(jìn)行快速傅立葉變換，計(jì)算出熱波信號(hào)的振幅與相位圖像。這種快速傅立葉變換圖像分析法有很多優(yōu)點(diǎn)，如精度高，抑噪效果好，當(dāng)然缺點(diǎn)是計(jì)算量很大，處理時(shí)間比較長(zhǎng)。

上述現(xiàn)有熱波鎖相成像系統(tǒng)中采用的多是紅外線燈，也有報(bào)道采用的是激光束來(lái)進(jìn)行熱激勵(lì)的。但不是采用掃描的方式，而是將激光束擴(kuò)束，使得光斑充滿紅外熱像儀的視場(chǎng)。這種方式的主要缺點(diǎn)是由于激光束的相干性，擴(kuò)大的光斑里會(huì)有很多干涉條紋和散斑；另外激光束是高斯分布的，很難將大光斑中各點(diǎn)的光強(qiáng)調(diào)均勻，因此這些都會(huì)影響到熱激勵(lì)的質(zhì)量。本發(fā)明采用激光掃描的方式，當(dāng)激光束聚焦成點(diǎn)狀或線狀時(shí)，干涉現(xiàn)象將不會(huì)產(chǎn)生影響，通過(guò)一維或二維掃描，可以得到均勻分布的熱激勵(lì)。并且掃描方式還可以很容易改變熱激勵(lì)的范圍，而這樣的系統(tǒng)還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱波鎖相成像與脈沖熱波成像的目的。

對(duì)于鎖相成像技術(shù)，圖像上由于熱激勵(lì)所引起的熱波信號(hào)強(qiáng)度分布不均勻在一定范圍內(nèi)是可以接受的，因?yàn)楸M管會(huì)影響振幅圖像，但在最終的相位圖像上這種非均勻熱激勵(lì)的影響會(huì)得到很大的抑制。但是這種強(qiáng)度的不均勻性不能太大，否則其影響無(wú)法完全消除。特別是熱激勵(lì)的強(qiáng)度分布在所有序列熱波圖像中不能發(fā)生變動(dòng)，否則這種變動(dòng)等同于噪聲，將影響到最終圖像的質(zhì)量。由此可見(jiàn)，激光掃描與紅外熱像儀的幀頻之間必須保持一定的同步關(guān)系。

圖2所示的是一種采用激光掃描的熱波鎖相成像系統(tǒng)原理框圖。高功率激光器21在激光控制單元20的驅(qū)動(dòng)下，用于在被測(cè)試件表面激勵(lì)熱波。激光控制單元20可以控制激光器21的輸出功率的波形，例如在熱波圖像采集過(guò)程中有時(shí)希望使用如正弦或其它波形來(lái)進(jìn)行熱激勵(lì)，這可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元14來(lái)控制激光控制單元20去實(shí)現(xiàn)。光束整形裝置22可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整激光光斑24的形狀，如點(diǎn)狀或線狀等，為了方便本說(shuō)明書將以線狀光斑為主進(jìn)行敘述。掃描振鏡23在掃描控制單元25的驅(qū)動(dòng)下，用于對(duì)激光束進(jìn)行一維或二維的掃描。紅外熱像儀11則用于采集熱波圖像，其幀頻與掃描振鏡23的掃描頻率在掃描控制單元25的控制下保持特定的同步關(guān)系。

由于聚焦的激光束功率密度很高，因此必須保持較高的掃描速度。對(duì)于長(zhǎng)周期的熱激勵(lì)，在一個(gè)加熱周期中激光束將往復(fù)掃描多次，與此同時(shí)熱波圖像也需要連續(xù)采集。如圖3所示，曲線31表示的是試件表面各點(diǎn)溫度因激光束重復(fù)掃描而隨時(shí)間的變化，有如鋸齒波狀，上升沿為激光束加熱，下降沿為加熱后的冷卻。曲線32代表由這種連續(xù)激光掃描所產(chǎn)生的平均加熱效應(yīng)。曲線33則是加熱周期停止后的溫度下降曲線，比較平滑。

激光掃描應(yīng)用于熱波鎖相成像技術(shù)的首要問(wèn)題是，在加熱周期里由于激光束在不停掃描，每幀熱波圖像中各點(diǎn)的熱激勵(lì)時(shí)間是不同的，這樣會(huì)造成熱波圖像強(qiáng)度分布的不均勻。另外在在加熱周期里，激光光斑24所在位置的溫度往往高于周邊很多，采集到的圖像中各點(diǎn)亮度差別很大。如圖4（a）所示，其中曲線41表示熱波圖像自上而下的溫度分布。如果紅外熱像儀幀頻和激光掃描不同步，激光光斑24不停地移動(dòng)，并且在不同幀的熱波圖像中的位置不一樣，這樣的序列熱波圖像在進(jìn)行處理時(shí)就很難得到好的結(jié)果。因此必須設(shè)法使得采集的序列熱波圖像的信號(hào)強(qiáng)度分布盡量均勻，并且?guī)c幀之間的信號(hào)強(qiáng)度分布相同。

一個(gè)直接的解決辦法就是使得激光光斑24的掃描與紅外熱像儀11的幀頻同步，并且等待激光光斑24掃描出紅外熱像儀11視場(chǎng)后再開(kāi)始采集熱波圖像，以避免激光光斑24的影響。如圖4（b）所示，在沒(méi)有激光光斑24的影響下，這時(shí)熱波圖像上的信號(hào)從上至下相對(duì)變化較小，這有利于后期處理時(shí)進(jìn)行修正。

另外一種方式是將激光光斑24適當(dāng)擴(kuò)寬成條狀，以降低功率密度，如圖5所示，激光光斑24寬度約為圖像高度的四分之一，這時(shí)熱波圖像中激光光斑24所在區(qū)域的熱波信號(hào)幅度相對(duì)其它區(qū)域差別不是很大，如圖中曲線51所示。同時(shí)在掃描時(shí)使得掃描振鏡23與熱像儀11幀頻之間有一個(gè)偏移量，例如圖5中所示的，掃描振鏡23的掃描頻率是紅外熱像儀11幀頻的1.25倍，即在4幀圖像中激光束掃描了5次，每幀圖像中的激光光斑24的位置下移了四分之一幅。將這4幀圖像平均起來(lái)得到新的熱波圖像上熱波信號(hào)的均勻性得到很大提高。這種每4幀圖像平均成一幀新的熱波圖像，等效降低了幀頻，因此比較適合熱激勵(lì)周期比較長(zhǎng)或幀頻比較高的情況。上述方法歸納起來(lái)就是，如果激光掃描頻率為m，紅外熱像儀幀頻為n，則每經(jīng)過(guò)n幀圖像的時(shí)間激光掃描了m次，可將每n幀圖像進(jìn)行平均得到一幀新的熱波圖像。這幀新的熱波圖像上的熱波信號(hào)強(qiáng)度分布非均勻性會(huì)得到很大改善，而且由此方法得到的新的序列圖像，盡管熱波信號(hào)的強(qiáng)度分布還不完全均勻，但其幀與幀之間這種強(qiáng)度分布非均勻性是完全相同的，因此在后續(xù)鎖相信號(hào)處理中不會(huì)影響到相位圖的質(zhì)量。

圖6所示的是另一種實(shí)施方式，這里紅外熱像儀的積分時(shí)間盡量接近幀頻周期，在一幀之內(nèi)可以完整掃描數(shù)次，圖6（a）所示的是激光束在一幀時(shí)間里掃描了兩個(gè)周期，這樣圖像上的每個(gè)像素行所積分的熱波信號(hào)基本相同，盡管激光光斑掃過(guò)的時(shí)刻不一樣。這一點(diǎn)可以進(jìn)一步參考圖6（b）進(jìn)行說(shuō)明，在一幀周期內(nèi)，位于紅外熱像儀芯片頂部某像素行的熱波信號(hào)變化如圖所示，具有兩個(gè)完整掃描周期。而位于紅外熱像儀芯片中部的某像素行由于激光掃描的延遲，所積分的熱波信號(hào)在剛開(kāi)始一段時(shí)間是由前一次激光掃描所產(chǎn)生的，但它與本積分周期的激光掃描所產(chǎn)生的熱波信號(hào)結(jié)合起來(lái)正好也是兩個(gè)完整周期，因此整幀圖像的信號(hào)強(qiáng)度分布基本是均勻的。另一種相似原理的方式如圖6（c）所示，當(dāng)激光掃描頻率慢于紅外熱像儀的幀頻時(shí)，在一個(gè)激光掃描周期里紅外熱像儀采集數(shù)幀熱波圖像，這幾幀圖像相互之間強(qiáng)度分布不同，但相加后就可以得到一幀強(qiáng)度基本均勻分布的熱波圖像。用這種方法可以采集一系列具有相同強(qiáng)度分布的熱波圖像。

有一種紅外熱像儀是逐行掃描型的，即紅外熱像儀芯片在任一時(shí)刻只有一個(gè)像素行在積分紅外信號(hào)，逐行依次進(jìn)行，周而復(fù)始。對(duì)于這種類型的紅外熱像儀，可以采用一種直接同步掃描方式，即紅外熱像儀行行掃描與激光光斑掃描完全同步。如圖7所示，激光光斑24在紅外熱像儀芯片70上形成激光光斑投影72，其移動(dòng)速度與紅外熱像儀芯片當(dāng)前信號(hào)積分行71的移動(dòng)速度與方向完全一致，并且兩者之間保持一個(gè)固定的時(shí)間差，這樣得到的熱波圖像中的信號(hào)強(qiáng)度分布將十分均勻。

前面提到激光作為熱激勵(lì)源具有很多優(yōu)勢(shì)，其中之一就是激光輸出功率可以很方便準(zhǔn)確的控制。這在一些具體應(yīng)用中十分有用。例如采用圖8（a）所示的正弦波進(jìn)行熱激勵(lì)可以減少諧波的產(chǎn)生，也降低熱激勵(lì)源的功耗。有時(shí)為了同時(shí)檢測(cè)不同深度的缺陷，需要將幾種不同頻率的能量疊加在一起進(jìn)行熱激勵(lì)，通常是采用數(shù)個(gè)獨(dú)立的熱激勵(lì)源。而圖8（b）所示是兩種不同頻率合成的多頻疊加波，采用這種波形控制激光器，一個(gè)序列熱波圖像的采集便可以得到兩個(gè)不同熱激勵(lì)頻率的結(jié)果。圖8（c）所示的是采用變頻波熱激勵(lì)的方式，這也對(duì)同時(shí)檢測(cè)不同深度的缺陷有幫助。

綜上所述，一種激光掃描熱波鎖相成像方法，主要包括以下幾個(gè)步驟：

a．根據(jù)試件特征，確定熱激勵(lì)周期和熱激勵(lì)的功率波形；

b．選取激光掃描頻率，使得每采集n幀后，激光光斑掃描m周期，其中n與m互為質(zhì)數(shù)；

c．采用激光光斑24對(duì)試件表面進(jìn)行掃描熱激勵(lì)；

d．采用紅外熱像儀11對(duì)試件表面采集熱波序列圖像；

e．對(duì)采集到的序列熱波圖像進(jìn)行鎖相信號(hào)處理，分別得到與振幅及相位相關(guān)圖像。

其中熱波圖像的鎖相信號(hào)處理包括單相積分法、雙相積分法及快速傅立葉變換圖像分析法等。

本發(fā)明是以激光器作為熱激勵(lì)源，其它形式能夠定向投射的能量束也同樣可以使用，例如電子束、微波等。

以上敘述中激光束是通過(guò)振鏡進(jìn)行掃描的，但其它形式的掃描裝置都具有等同的效果，如聲光調(diào)制器，包括移動(dòng)試件進(jìn)行掃描等。

以上對(duì)本發(fā)明的描述為說(shuō)明性的，而非限制性，在權(quán)利要求書的范圍中對(duì)其進(jìn)行修改、變化及等效，都將落于本發(fā)明的保護(hù)范圍。